微地震裂缝监测技术ppt课件.ppt
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1、.1前前 言言第一章第一章 人工裂缝监测原理人工裂缝监测原理第二章第二章 地震波传播理论地震波传播理论第第三章三章 裂缝尺度讨论与置信度分析裂缝尺度讨论与置信度分析第第四章四章 实际应用领域实际应用领域第第五章五章 应用实例应用实例第第六章六章 可靠性检验可靠性检验第七章第七章 第第八章八章 结语结语附附 录录.2 1.1 人工裂缝监测方法人工裂缝监测方法 1.2 微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理 1.3 微地震源定位微地震源定位 第一章第一章 人工裂缝监测原理人工裂缝监测原理.32.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制2.2 微地震信号强度预测微地震信号强度预测2.3 微地震信号识别微地
2、震信号识别2.4 软件功能软件功能第第二章二章 地震波传播理论地震波传播理论.4 3.1 测试裂缝与进水裂缝比较测试裂缝与进水裂缝比较 3.2 置信度分析置信度分析第第三章三章 裂缝尺度讨论与置信度分析裂缝尺度讨论与置信度分析.54.1 人工裂缝监测人工裂缝监测4.2 人工裂缝转向监测人工裂缝转向监测4.3 注水前缘监测注水前缘监测4.4 采油波及区监测采油波及区监测4.5 对井井底连通监测对井井底连通监测4.6 核废料处理过程中的微地震监测核废料处理过程中的微地震监测第第四章四章 实际应用领域实际应用领域自本系统开发成功以后,我们在不同领域成功地应用了这项技术。自本系统开发成功以后,我们在不
3、同领域成功地应用了这项技术。.65.1 辽河曙辽河曙2-3-33井人工裂缝监测结果及分析井人工裂缝监测结果及分析 5.2 中原油田卫中原油田卫357井压裂转向监测井压裂转向监测 5.3 华北油田注水监测华北油田注水监测 5.4 对井井底连通实例对井井底连通实例 5.5 核废料处理监测核废料处理监测 5.6 堵水、调剖前后的微地震监测堵水、调剖前后的微地震监测 5.7 爆破压裂监测爆破压裂监测5.8 二氧化碳压裂监测二氧化碳压裂监测第第五章五章 实例应用实例应用.76.1 复测井监测结果复测井监测结果6.2 本本技术可靠的最直接证明技术可靠的最直接证明 6.3 对比监测实例对比监测实例第第六章六
4、章 可靠性检验可靠性检验.8附录附录1 电路原理图电路原理图 附录附录2 电路图电路图 附录附录3 程序使用说明程序使用说明 附录附录4 设备外观图设备外观图 附录附录5 相关的理论文章相关的理论文章 .9前前 言言 在现有研发水平上,参照国际先进水平,研发人在现有研发水平上,参照国际先进水平,研发人工裂缝实时监测系统。该系统的研究目标是:参照国际工裂缝实时监测系统。该系统的研究目标是:参照国际上的最新研究成果,以监测微地震方法,现场即时给出上的最新研究成果,以监测微地震方法,现场即时给出人工裂缝形态人工裂缝形态(方位,长度,参考性高度,产状方位,长度,参考性高度,产状)及延伸及延伸过程。为油
5、田压裂设计,压裂质量判断,注水前缘分析过程。为油田压裂设计,压裂质量判断,注水前缘分析提供及时依据。提供及时依据。 该项工作于该项工作于2001年年1月份启动,月份启动,2001年年6月份进入月份进入现场,现场,2001年年10月份取得第一次成功观测,提出项目月份取得第一次成功观测,提出项目的改进目标。的改进目标。2001年年10月至月至2001年年12月份根据观测中月份根据观测中发现的问题改进硬件,发现的问题改进硬件,2002年年2月份改进后的软件观测月份改进后的软件观测成功。之后,完善软件功能,成功。之后,完善软件功能,2002年年6月分项目完月分项目完成成,2002年年8月分项目通过评审
6、验收月分项目通过评审验收,整个项目研制历时整个项目研制历时二十个月二十个月(项目验收评委及意见见附录项目验收评委及意见见附录1、2)。 .10前前 言言 整个项目包括整个项目包括: 深井、深埋式、嵌入式的硬件深井、深埋式、嵌入式的硬件系统系统;电路及无线传输系统,计算机分析记录系统;电路及无线传输系统,计算机分析记录系统;及配套软件及配套软件(附录附录3、4、5、6)。 该系统可以在井下几百米进行深井监测,也可该系统可以在井下几百米进行深井监测,也可以在地面监测。以在地面监测。 在现场实时监测,显示裂缝监测结果的同时,在现场实时监测,显示裂缝监测结果的同时,记录下全部原始波形数据。原始波形数据
7、可以由自记录下全部原始波形数据。原始波形数据可以由自动识别程序再分析,分析结果可以与实时监测结果动识别程序再分析,分析结果可以与实时监测结果对比,检测分析结果的重复性。也可以以不同速度对比,检测分析结果的重复性。也可以以不同速度复现监测结果,再分析微地震出现过程。复现监测结果,再分析微地震出现过程。.11前前 言言 经历时二十个月,紧跟国际先进水平的攻关研经历时二十个月,紧跟国际先进水平的攻关研究,双方认为,该项研究达到了预期目标,完成了究,双方认为,该项研究达到了预期目标,完成了自动识别,实时监测和后自动处理压裂和高压注水自动识别,实时监测和后自动处理压裂和高压注水所形成的人工裂缝的完整硬软
8、件系统。所形成的人工裂缝的完整硬软件系统。 该系统于该系统于2001年年12月进入现场,经月进入现场,经6个月的磨个月的磨合与改进,通过实时监测与后自动处理对比;同一合与改进,通过实时监测与后自动处理对比;同一口高压注水井连续二次监测结果的对比口高压注水井连续二次监测结果的对比(相隔仅一小相隔仅一小时时);监测结果与现场其它资料的对比;监测结果与;监测结果与现场其它资料的对比;监测结果与开发效果的对比。我们认为:该系统监测结果可靠,开发效果的对比。我们认为:该系统监测结果可靠,重复性好。研究达到了国外同类研究的水平。重复性好。研究达到了国外同类研究的水平。 .12 人工裂缝监测有多种方法:示踪
9、剂方法、电位法、人工裂缝监测有多种方法:示踪剂方法、电位法、地倾斜方法等等。地倾斜方法等等。 示踪剂方法滞后,可靠性受监测井的周围分布井示踪剂方法滞后,可靠性受监测井的周围分布井所在位置限制;电位法受气候、深度限制,且需较多所在位置限制;电位法受气候、深度限制,且需较多的测点,测区范围局限;地倾斜方法也受深度限制,的测点,测区范围局限;地倾斜方法也受深度限制,且与覆盖层厚度、品质有关,需较多的测点,测区范且与覆盖层厚度、品质有关,需较多的测点,测区范围局限;只有微地震方法即时,控制范围大,适应面围局限;只有微地震方法即时,控制范围大,适应面广,近年来在国际上得到广泛的应用。使用微地震方广,近年
10、来在国际上得到广泛的应用。使用微地震方法,近年来取得了一些令人瞩目的成就。我们参照国法,近年来取得了一些令人瞩目的成就。我们参照国际上的先进经验,发展了自己独立的观测系统,在不际上的先进经验,发展了自己独立的观测系统,在不同领域的应用中,也取得了可观的成绩。同领域的应用中,也取得了可观的成绩。第第一章一章 1.1 人工裂缝监测方法人工裂缝监测方法.13 压裂或高压注水时,由于地层压力的升高,根据摩尔压裂或高压注水时,由于地层压力的升高,根据摩尔-库伦准则,沿着裂缝边缘会发生微地震。实际微地震的库伦准则,沿着裂缝边缘会发生微地震。实际微地震的频段从几十到几百周,相当于频段从几十到几百周,相当于-
11、2至至-5级地震。一般来说,级地震。一般来说,震级越小,频率越高。我们仪器的工作频段为震级越小,频率越高。我们仪器的工作频段为50-200周,周,仅取较大的微地震仅取较大的微地震(-2级级)。记录这些微地震,并根据微地。记录这些微地震,并根据微地震走时进行震源定位,由微地震震源的空间分布可以描震走时进行震源定位,由微地震震源的空间分布可以描述人工裂缝轮廓。微地震震源空间分布在柱坐标系三个述人工裂缝轮廓。微地震震源空间分布在柱坐标系三个坐标面上的投影,可以给出裂缝的三视图坐标面上的投影,可以给出裂缝的三视图(俯视图、侧视俯视图、侧视图、前视图图、前视图),分别描述人工裂缝的长度、方位、产状及,分
12、别描述人工裂缝的长度、方位、产状及参考性高度。与其它方法相比,该方法即时,方便,适参考性高度。与其它方法相比,该方法即时,方便,适应性强,为国际上的同行广泛使用。应性强,为国际上的同行广泛使用。第第一章一章 1.2 微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理.14 摩尔摩尔-库伦准则可以写为:库伦准则可以写为: 0 +(S1+S2-2 P0)/2+(S1S2)cos(2)/2 (1) = (S1S2)sin(2)/2 (2) (1)式左侧不小于右侧时发生微地震。式中,式左侧不小于右侧时发生微地震。式中,是作用在裂缝是作用在裂缝面上的剪切应力;面上的剪切应力;0 是岩石的固有无法向应力抗剪断强
13、度,是岩石的固有无法向应力抗剪断强度,数值由几兆帕到几十兆帕,沿已有裂缝面错断,数值为零;数值由几兆帕到几十兆帕,沿已有裂缝面错断,数值为零;S1,S2 分别是最大,最小主应力;分别是最大,最小主应力;P0是地层压力;是地层压力;是最大是最大主应力与裂缝面法向的夹角。由式主应力与裂缝面法向的夹角。由式(1)可以看出,微震易于沿可以看出,微震易于沿已有裂缝面发生。已有裂缝面发生。 这时这时0为零,左侧易于不小于右侧。为零,左侧易于不小于右侧。P0增增大,右侧减小,也会使右侧小于左侧。这为我们观测注水,大,右侧减小,也会使右侧小于左侧。这为我们观测注水,压裂裂缝提供了依据。压裂裂缝提供了依据。第第
14、一章一章 1.2 微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理.15 该监测系统采用该监测系统采用6分站,无线传输,主站分析实时定位分站,无线传输,主站分析实时定位系统。监测压裂或高压注水时出现的微震点分布,用微震点系统。监测压裂或高压注水时出现的微震点分布,用微震点分布描述裂缝形态。分布描述裂缝形态。 微地震震源以走时方法定位,假定自震源发出的微地震微地震震源以走时方法定位,假定自震源发出的微地震信号以直线传入地震检波器,把弧线传播途径拉直为一条直信号以直线传入地震检波器,把弧线传播途径拉直为一条直线,以方便油田使用。这一假设是测试误差的主要来源。线,以方便油田使用。这一假设是测试误差的主要
15、来源。 由于随深度的减小,波速降低,近地表的地震波传播途由于随深度的减小,波速降低,近地表的地震波传播途径与地面趋于垂直。由于径与地面趋于垂直。由于P波的振动方向沿传播途径,波的振动方向沿传播途径,S波的波的振动方向与传播途径垂直。因此,振动方向与传播途径垂直。因此,P波的振动方向垂直于地面,波的振动方向垂直于地面,S波的振动方向平行于地面。波的振动方向平行于地面。 有的油田地层松软,有的油田地层松软,S波不稳定。本系统检波器垂直放波不稳定。本系统检波器垂直放置,对沿传播途径振动的置,对沿传播途径振动的P波敏感;垂直于传播途径振动的波敏感;垂直于传播途径振动的S波衰减大,只记录分析波衰减大,只
16、记录分析P波。波。第第一章一章 1.2 微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理.16震源定位过程如下:震源定位过程如下: 微地震定位采用矩阵分析理论,以下述走时方程为依据微地震定位采用矩阵分析理论,以下述走时方程为依据去计算微地震震源的空间坐标。去计算微地震震源的空间坐标。 第第一章一章 1.3 微地震源定位微地震源定位.17经变换,经变换,(3)式可以改写为:式可以改写为: 第第一章一章 1.3 微地震源定位微地震源定位.18 式中,式中,T1 -T6是各分站的是各分站的P波到时,波到时,T0是发震时刻;是发震时刻;(X1,Y1,0)(X6,Y6,0)是各分站坐标;是各分站坐标;VP是
17、是P波速度;波速度;(X0,Y0,Z0)是微震震源的空间坐标。是微震震源的空间坐标。T0,X0,Y0,Z0是待求的是待求的未知数。未知数的个数少于方程个数,方程组是可解的。解未知数。未知数的个数少于方程个数,方程组是可解的。解出四个未知数的最少方程个数是四个,这要求至少有四个分出四个未知数的最少方程个数是四个,这要求至少有四个分站,若有四个分站有记录信号,便可以进行震源定位。站,若有四个分站有记录信号,便可以进行震源定位。 (4)式可以写成标准系数矩阵形式式可以写成标准系数矩阵形式,有很多求解矩阵的方有很多求解矩阵的方法可以解出法可以解出T0,X0,Y0;再把;再把T0,X0,Y0代入代入(3
18、)式中就可式中就可以得出以得出Z0,Z0就是相对压裂深度的裂缝高度,由于计算过程就是相对压裂深度的裂缝高度,由于计算过程的累积作用,高度误差较大。的累积作用,高度误差较大。 A=KB (5)第第一章一章 1.3 微地震源定位微地震源定位.19矩阵矩阵A写为:写为: 第第一章一章 1.3 微地震源定位微地震源定位.20矩阵矩阵B写为:写为: 第第一章一章 1.3 微地震源定位微地震源定位.21矩阵矩阵K写为:写为: 第第一章一章 1.3 微地震源定位微地震源定位5) 式可改写为:式可改写为: K=AB-1 (9) B-1是是B的逆矩阵。矩阵求逆和的逆矩阵。矩阵求逆和(9)式计算有很多通用的解式计
19、算有很多通用的解法,我们可以取得法,我们可以取得T0,X0,Y0值。值。.22 实际采用确定深度的方法是综合考虑各站走时的方法,即实际采用确定深度的方法是综合考虑各站走时的方法,即对以下一组数据作为走时的函数进行线性回归,回归常数即为对以下一组数据作为走时的函数进行线性回归,回归常数即为相对观测相对观测 段的高度:段的高度:第第一章一章 1.3 微地震源定位微地震源定位依据上述过程可以确定微地震点的空间位置。依据上述过程可以确定微地震点的空间位置。.23水力压裂裂缝扩展的力学条件可以写为水力压裂裂缝扩展的力学条件可以写为:第第二章二章 2.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制 (10)式中式中R是钻孔
20、半径;是钻孔半径;a是裂缝半长度;是裂缝半长度;Pf是裂缝中的水是裂缝中的水压;压;n是裂缝面的法向应力;是裂缝面的法向应力;kIC是岩石断裂韧性,是岩石的是岩石断裂韧性,是岩石的固有强度。由固有强度。由(10)式可以看出,破裂的临界强度由岩石本身式可以看出,破裂的临界强度由岩石本身的性质决定,与激励条件无关,只在作用达到破裂条件瞬间的性质决定,与激励条件无关,只在作用达到破裂条件瞬间才会有微地震发生,因此微地震信号的强度也与激励条件无才会有微地震发生,因此微地震信号的强度也与激励条件无关。而破裂发生的频度是与激励条件有关的,激励强度越大,关。而破裂发生的频度是与激励条件有关的,激励强度越大,
21、单位时间发生的微地震也越多。单位时间发生的微地震也越多。.24地震矩张量地震矩张量MPP可以写为:可以写为: 第第二章二章 2.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制 P=1,2,3 WN = MPP G NP P (12).25 由由(12)式可以得出式可以得出5个位移分量个位移分量:一个近场变形位移一个近场变形位移,二个近场波二个近场波动位移,二个远场波动位移。远近场是以地震波长为标准的,动位移,二个远场波动位移。远近场是以地震波长为标准的,在我们的使用频段范围内,波长约为几十米。因此,远场震相在我们的使用频段范围内,波长约为几十米。因此,远场震相是我们观测到的主要震相。是我们观测到的主要震相。P波
22、位移震幅可以写为:波位移震幅可以写为: A=AD(,) / (4r3)u 3(t-r/)S (13) A2D(,)=cos4+2sin4cos4+ (+2)2sin4sin4+22cos2sin2cos2+2(+2)sin2cos2sin2+2(+2)2 sin4cos2sin2 (14)第第二章二章 2.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制.26 这里:这里:,分别是观测点相对于震源的仰角和方位角,分别是观测点相对于震源的仰角和方位角,是是P波波波波速,速,、是拉梅常数,是拉梅常数,u 3(t-r/)是考虑时间延迟的震源介质振是考虑时间延迟的震源介质振动的速度幅度,动的速度幅度,r是传播途径,是传播
23、途径,是传播介质密度。是传播介质密度。 地面观测时,可以假定地面观测时,可以假定=0,在观测点的,在观测点的P波位移可以写为:波位移可以写为: A=/(4r3)u (t-r/)S (15) 井下观测时,可以假定井下观测时,可以假定=/2,在观测点的,在观测点的P波位移可以写为:波位移可以写为: A=(2cos4+(+2)2 sin4+2(+2)2cos2sin2)u (t-r/)S /(4r3) (16) 地震波传播理论为地震信号分析提供了依据。地震波传播理论为地震信号分析提供了依据。第第二章二章 2.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制.27 检波器可以记到微地震信号是方法是否可行的关键,只有信号检
24、波器可以记到微地震信号是方法是否可行的关键,只有信号大于仪器前端分辨率,微地震检波器才可以把信号检测出来。大于仪器前端分辨率,微地震检波器才可以把信号检测出来。由于人工裂缝形成以张裂为主,加之地层条件,辐射出的由于人工裂缝形成以张裂为主,加之地层条件,辐射出的P波波较为稳定。仪器设置及分析识别理论以记录分析较为稳定。仪器设置及分析识别理论以记录分析P波为依据。波为依据。不记录也不分析不记录也不分析S波震相。故仅使用波震相。故仅使用(15),(16)式估算到达仪器式估算到达仪器前端的电压强度。在实际计算中需把前端的电压强度。在实际计算中需把(15),(16)式改写为:式改写为:A1=00 /(4
25、1 r11 3)u (t-r/)S0 K1 F1 H1 (17)A2=(02 cos4+(0+20)2sin4+20(0+20)2cos2sin2)0/ (42 r22 3)u (t-r/)S0 K2 F2 H2 (18)第第二章二章 2.2 微地震信号强度预测微地震信号强度预测.28 式式(17),(18)中,下标为中,下标为“0”的参数是与震源有关的参数,与传的参数是与震源有关的参数,与传播路径无关;下标为播路径无关;下标为“1”的参数是地面接收的路径参数,与震源的参数是地面接收的路径参数,与震源无关;下标为无关;下标为“2”的参数是井下接收的路径参数,与震源无关。的参数是井下接收的路径参
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